Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время техническая керамика является самостоятельным классом материалов и находит все большее применение в различных отраслях техники и промышленности, таких как электротехника, энергетика, в том числе ядерная, радиотехника, металлургия, химическое машиностроение. Керамика рассматривается как наиболее перспективный материал будущего благодаря основным своим качествам: твердости и высокой прочности, регулируемым в широких пределах теплофизическим свойствам.
Одним из сдерживающих факторов широкого внедрения керамических материалов является их высокая цена. Существенного снижения себестоимости керамики возможно добиться использованием природно-минерального сырья без дополнительных процессов переработки.
Весьма востребованным и перспективным керамическим материалом для современной техники является цирконовая керамика. В настоящее время наиболее крупными производителями и поставщиками цирконового концентрата являются Австралия, ЮАР, США. Россия обладает значительными запасами цирконсодержащих руд, занимая четвертое место в мире, но освоенность имеющейся минерально-сырьевой базы крайне низкая. В то же время цирконо-вый концентрат является остродефицитным сырьем и почти полностью импортируется. Большая часть цирконового концентрата используется в литейном производстве и металлургии, при изготовлении керамики и получении диоксида циркония и других химических соединений. Около половины мирового потребления цирконовых концентратов приходится на производство керамических изделий.
Циркон - перспективный конструкционный материал, отличающийся низкими тепловым расширением и теплопроводностью, хорошим сопротивлением коррозии в расплавах стекол и жидких металлов. Термостойкость циркона превышает термостойкость корунда, Zr02 и муллита. Основным недостатком циркона является его термическая диссоциация на составляющие окислы при нагревании до высоких температур. Температура начала и кинетика разложения существенно зависят от состава примесей, наличие которых характерно для природных сырьевых материалов. В зависимости от географии месторождения и фирмы-производителя состав сопутствующих примесей значительно отличается, между тем он оказывает большое влияние на физико-механические свойства цирконовой керамики.
Таким образом, изучение физико-химических процессов получения керамических материалов на основе циркона различных месторождений является актуальной задачей.
Связь работы с научными программами, планами, темами
Работа выполнена в соответствии с научными темами и программами, проводимыми в Научном центре порошкового материаловедения ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»:
«Разработка технологии получения пористой керамики с регулируемой величиной пор от микро до наноразмерных». ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы (Государственный контракт № 02.11.2024 от 30 сентября 2005 г.); «Разработка и освоение инновационной технологии нанодисперсного неорганического связующего для создания специальных керамических материалов нового поколения в интересах социально-экономического развития Московской области» (постановление правительства Московской области от 06.08.2007 г. №574/28); «Разработка процессов получения слоистых композиционных материалов со сложноорганизованной поровой структурой, обладающих функциональными свойствами шумогашения и защиты от катастрофических разрушений газотурбинных двигателей». АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2010 годы (задание 2.1.2/341); «Разработка научных основ процессов формирования композиционных керамических материалов на основе карбосилицида титана с наноразмерными элементами структуры для применения в ресурсосберегающих и импортозамещающих технологиях нанесения многослойных плазменных и мультислойных ионно-плазменных покрытий с заданными свойствами». ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (Государственный контракт № 02.740.11.0127); Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.
Исследования по тематике диссертации проводились в рамках выполнения хоздоговорных работ с ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», ОАО «ОЭМК», г. Старый Оскол.
Цель и задачи исследования
Цель исследования заключается в изучении процессов создания термически стабильной керамики на основе циркона для работы в условиях воздействия агрессивных сред и высоких температур. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
изучение влияния характеристик порошков циркона различных производителей и их дисперсности на термическую диссоциацию при температурах выше 1000 С;
исследование влияния добавок на термическую диссоциацию циркона, фазовый состав, микроструктуру и свойства материала;
исследование особенностей поведения цирконовых концентратов различных производителей при формировании и спекании керамики на их основе;
разработка композиционного материала на основе циркона с добавлением диоксида циркония и изучение его физико-механических свойств.
Научная новизна
Впервые изучено влияние оксида иттрия на термическую диссоциацию циркона. Установлено, что небольшие добавки оксида иттрия в циркон, содержащий примеси, сдерживают процесс термической диссоциации, не оказывая негативного влияния на физико-механические свойства.
Установлены параметры механохимической активации цирконового концентрата в жидкой среде с поверхностно-активными веществами (ПАВ), обеспечивающие эффективность размола и стойкость циркона к термической диссоциации.
Определены зависимости процесса консолидации композиционного материала на основе циркона от концентрации нанокристаллического диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и параметров механохимической активации. Отмечено, что введение нанопорошка диоксида циркония сдерживает уплотнение цирконовой матрицы в процессе спекания, ингибируя рост зерна циркона.
Практическая значимость
Получен керамический материал на основе циркона с пониженной теплопроводностью, который может быть использован для изготовления теплозащитных изделий.
Разработана технология изготовления изделий с высокой термостойкостью из композиционной высокоглиноземистой нанокерамики, устойчивых к воздействию динамических и статических нагрузок.
Данные о комплексе свойств керамических материалов на основе циркона и сами материалы могут быть применены при создании новой техники для фильтрации и очистки отходящих газов, металлов, сплавов, эффективного обезвоживания и извлечения концентратов руд для работы в условиях агрессивных сред и высоких температур. Получена премия Правительства РФ 2007 года в области науки и техники за разработку научных основ и технологии проницаемой керамики с регулируемой от нано- до микропористостью.
Достоверность результатов и выводов подтверждается применением стандартных методик экспериментальных исследований, воспроизводимости результатов исследований, применением статистической обработки экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований процессов фазообразования в системе глинозем-циркон и влияния методов формования на получение керамических и композиционных материалов на основе цирконовых концентратов разных марок.
Способ механохимической активации цирконовых концентратов с ПАВ для получения цирконовой керамики повышенной плотности.
Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств цирконовой керамики.
Личный вклад автора заключается в организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, обобщении полученных результатов.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Международная конференция «Техни-
ческая химия. От теории к практике», Пермь, 2008; Международная конференция «Технология и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых видов огнеупорных изделий в металлургической промышленности, Москва, 2008; Международная конференция огнеупорщиков и металлургов, Москва 2008; International Conference «HighMatTech-2009», Kiev, Ukraine, 2009.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в т.ч. 8 работ в журналах, рекомендованных ВАК, из них по направлениям «Металлургия» и «Машиностроение» - 2. Получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 71 наименования. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 85 рисунков.
